车联网中基于Lyapunov优化的V2V通信资源分配方法组成比例

一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V资源分配方法，属于无线通信技术领域。先构建了配置缓存队列的V2V通信系统模型，包括一基站，多个车与车链路和车与基础设施链路，其中V2V链路通过复用V2I链路的资源块以D2D通信方式实现临近车辆之间信息交换。基于该系统模型，以最大化V2V链路能量效率为目标函数，同时保证V2V链路队列时延和可靠性要求以及V2I链路最小速率要求，规划资源分配优化问题。针对规划的优化问题，提出一种基于Lyapunov优化的V2V资源分配方法。该资源分配方法不仅可以有效地权衡V2V链路的能量效率和队列时延与可靠性，且具有计算简单的特点。且具有计算简单的特点。且具有计算简单的特点。

【技术实现步骤摘要】
车联网中基于Lyapunov优化的V2V通信资源分配方法


[0001]本专利技术涉及一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V通信资源分配方法，属于无线通信


技术介绍

[0002]近年来，私人小汽车进入快速增长时期，这给交通和环境带来了巨大的压力。在一些发达和发展中国家，交通拥堵和交通事故问题日益严重，这不仅降低了交通效率，导致了环境污染，而且还造成了严重的生命财产损失。为了解决面临的这一问题，创造一个更环保、更安全、更智能的安全出行方式，车联网技术成为政府机构、学术界和工业界关注的焦点。V2V通信作为车联网技术的关键技术之一，可以广泛地支持紧急刹车警告、碰撞警告和超车警告等道路安全相关的应用，此类应用与道路安全相关，因此满足具有严苛的时延性和可靠性才能保证安全驾驶。
[0003]近年来，科研人员对车联网中V2V通信的低时延和高可靠性进行了广泛的研究。“Resource Allocation for Vehicular Communications With Low Latency and High Reliability,”【C.Guo,L.Liang,and G.Y.Li,IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.18,pp.3887
‑
3902,2019.】一文中以最大化V2N(Vehicle
‑
to
‑
Network)链路的吞吐量为目标，同时以保证V2V链路的低时延和高可靠性为约束，规划了一个资源分配问题。作者基于队列分析获得基于稳态可靠性和时延的约束表达式，然后基于分析结果提出一种低复杂度的算法解决资源分配和频谱共享匹配。“Dynamic Resource Allocation for Optimized Latency and Reliability in Vehicular Networks,”【M.I.Ashraf,C.F.Liu,M.Bennis,W.Saad,and C.S.Hong,IEEE Access,vol.6,pp.63843
‑
63858,2018.】一文中采用Lyapunov优化技术将规划的V2V链路功率最小化问题解耦为资源分配和功率优化子问题，然后提出一种半分布式资源分配策略求解最优资源分配。上述资源分配在研究时延和可靠性的同时，没有充分考虑V2V通信系统的能量效率问题。目前查阅到的资料中，没有在V2V资源分配过程中使用Lyapunov优化理论同时优化V2V通信系统能量效率和时延与可靠性的先例。

技术实现思路

[0004]为了克服
技术介绍
的缺陷和不足，本专利技术提供了一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V通信资源分配方法。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V资源分配方法，在以下系统中运行通信业务，该系统包括一个基站，多个V2V链路和V2I链路，其中V2I链路预先分配了频谱资源块，V2V链路通过复用V2I下行链路的频谱资源块，以D2D通信方式实现两个临近车辆之间的通信；V2V链路和V2I链路的集合分别表示为和其中K和M分别表示V2V链路和V2I链路的总数量；为了分析V2V链路的时延和可靠性，每个V2V链路的传输
端均配置一个缓存数据的缓存队列，通信系统按时隙运行通信业务，定义使用时隙t∈{1,2,...}表示一段时间的间隔[t,t+1)；针对以上V2V通信系统模型，规划优化问题，并且根据Lyapunov优化理论设计资源分配方法对优化问题进行求解，该方法具体步骤如下：1)问题规划
[0007]在时隙t，第k个V2V链路的数据传输速率定义为
[0008][0009]其中表示取任意符号，B表示带宽，δ表示时隙持续时间，α
k,m
(t)为资源块复用因子，在时隙t如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α
k,m
(t)＝1，否则α
k,m
(t)＝0，σ2表示高斯白噪声干扰功率，P
k,m
(t)表示在时隙t第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，P
m
(t)表示在时隙t第m个V2I链路的传输功率，h
k,m
(t)表示在时隙t第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块时的信道增益，s
m,k
(t)表示在时隙t第m个V2I链路传输端对k个V2V链路接收端的干扰信道增益；V2V链路长时间平均总吞吐量定义为
[0010][0011]其中τ表示0至t
‑
1时隙中的第τ个时隙，R
k
(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路的吞吐量，表示在时隙τ所有V2V链路的吞吐量，τ≤t
‑
1；V2V链路长时间平均总传输功率为
[0012][0013]其中P
k,m
(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，表示在时隙τ所有V2V链路总传输功率，α
k,m
(τ)为资源块复用因子，在时隙τ如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α
k,m
(τ)＝1，否则α
k,m
(t)＝0；在时隙t，任意V2I链路m的基站传输速率定义为
[0014][0015]其中h
m
(t)表示在时隙t第m个V2I链路的信道增益，g
k,m
(t)表示在时隙t第k个V2V链路传输端对第m个V2I链路接收端的干扰信道增益；每个V2V链路的传输端配置一个任务队列，任意V2V链路的队列长度定义为Q
k
(t)，其更新公式定义为
[0016][0017]其中A
k
(t)表示在时隙t任务到达速率,在每个时隙服从均值为λ
k
的泊松分布，表示对A
k
(τ)求期望，max表示求最大值符号；
[0018]对每个V2V链路的队列长度施加概率约束，第k个V2V链路的队列长度的概率约束为
[0019][0020]其中Pr表示概率，L
k
表示队列长度的边界，表示任意队列长度Q
k
(t)超出L
k
的违背概率；Q
k
(τ)表示在时隙τV2V链路k的队列长度,以最大化V2V链路能量效率为目标函数，同时以V2V链路的时延和可靠性要求以及V2I链路的最小速率要求为约束，规划出如下优化问题
[0021][0022]其中s.t.表示约束符号，C1、C2、C3、C4和C5表示约束式符号，η
EE
表示V2V链路的能量效率，R
C
表示V2I链路传输速率最小值，表示V2V链路传输功率最大值；
[0023]2)优化问题等价变换
[0024]根据马尔可夫不等式，约束C1可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V资源分配方法，在以下系统中运行通信业务，该系统包括一个基站，多个V2V链路和V2I链路，其中V2I链路预先分配了频谱资源块，V2V链路通过复用V2I下行链路的频谱资源块，以D2D通信方式实现两个临近车辆之间的通信；V2V链路和V2I链路的集合分别表示为和其中K和M分别表示V2V链路和V2I链路的总数量；为了分析V2V链路的时延和可靠性，每个V2V链路的传输端均配置一个缓存数据的缓存队列，通信系统按时隙运行通信业务，定义使用时隙t∈{1,2,...}表示一段时间的间隔[t,t+1)；针对以上V2V通信系统模型，规划优化问题，并且根据Lyapunov优化理论设计资源分配方法对优化问题进行求解，该方法具体步骤如下：1)问题规划在时隙t，第k个V2V链路的数据传输速率定义为其中表示取任意符号，B表示带宽，δ表示时隙持续时间，α
k,m
(t)为资源块复用因子，在时隙t如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α
k,m
(t)＝1，否则α
k,m
(t)＝0，σ2表示高斯白噪声干扰功率，P
k,m
(t)表示在时隙t第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，P
m
(t)表示在时隙t第m个V2I链路的传输功率，h
k,m
(t)表示在时隙t第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块时的信道增益，s
m,k
(t)表示在时隙t第m个V2I链路传输端对k个V2V链路接收端的干扰信道增益；V2V链路长时间平均总吞吐量定义为其中τ表示0至t
‑
1时隙中的第τ个时隙，R
k
(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路的吞吐量，表示在时隙τ所有V2V链路的吞吐量，τ≤t
‑
1；V2V链路长时间平均总传输功率为其中P
k,m
(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，表示在时隙τ所有V2V链路总传输功率，α
k,m
(τ)为资源块复用因子，在时隙τ如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α
k,m
(τ)＝1，否则α
k,m
(t)＝0；在时隙t，任意V2I链路m的基站传输速率定义为其中h
m
(t)表示在时隙t第m个V2I链路的信道增益，g
k,m
(t)表示在时隙t第k个V2V链路传输端对第m个V2I链路接收端的干扰信道增益；每个V2V链路的传输端配置一个任务队列，任
意V2V链路的队列长度定义为Q
k
(t)，其更新公式定义为其中A
k
(t)表示在时隙t任务到达速率,在每个时隙服从均值为λ
k
的泊松分布，的泊松分布，表示对A
k
(τ)求期望，max表示求最大值符号；对每个V2V链路的队列长度施加概率约束，第k个V2V链路的队列长度的概率约束为其中Pr表示概率，L
k
表示队列长度的边界，θ表示任意队列长度Q
k
(t)超出L
k
的违背概率；Q
k
(τ)表示在时隙τV2V链路k的队列长度,以最大化V2V链路能量效率为目标函数，同时以V2V链路的时延和可靠性要求以及V2I链路的最小速率要求为约束，规划出如下优化问题其中s.t.表示约束符号，C1、C2、C3、C4和C5表示约束式符号，η
EE
表示V2V链路的能量效率，R
C
表示V2I链路传输速率最小值，表示V2V链路传输功率最大值；2)优化问题等价变换根据马尔可夫不等式，约束C1可以被松弛为当第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块，此时满足α
k,m
＝1，根据问题(7)中的约束式C2，可以推导出V2I链路的功率最优值为其中将V2I链路的功率最优值代入优化问题(7)可得到如下问题
是关于功率向量α和...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丕明，赵鹏，王彤彤，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：